基于體模的肺結(jié)節(jié)低劑量CT掃描參數(shù)優(yōu)化的研究

謝鐵明　邵國良　黃潔慧　李開　朱子羽　石磊

[摘要] 目的 比較不同管電流胸部CT圖像質(zhì)量及對肺小結(jié)節(jié)顯示的影響，探討肺小結(jié)節(jié)低劑量胸部CT的最佳掃描方案。方法 納入2016年10月～2017年3月間行常規(guī)胸部CT掃描的孤立性肺結(jié)節(jié)患者50例，其中男28例，女22例，年齡29～65歲，平均（47.7±9.4）歲。并構建胸部體模及肺內(nèi)結(jié)節(jié)灶。采用不同管電流對患者及體模進行CT掃描，體模管電流分別采用20、40、60、80、100、140及180 mA，患者掃描管電流分別采用30、50、90及180 mA。比較體模結(jié)節(jié)實測值與不同管電流CT圖像結(jié)節(jié)測量值間的差別，不同管電流狀態(tài)下患者結(jié)節(jié)平均測量值、SNR值及CT圖像偽影分級的差別。 結(jié)果 采用20、40、60、80、100、140及180 mA管電流狀態(tài)下，結(jié)節(jié)體模實測直徑與CT圖像下測值間均無顯著性差異（P>0.05）。與常規(guī)劑量掃描相比，低劑量CT（30、50、90 mA管電流）可以檢出全部直徑>5 mm的肺結(jié)節(jié)，檢出率為100%。患者結(jié)節(jié)平均徑測量值間均無顯著統(tǒng)計學差異（P>0.05）。隨著管電流的升高，圖像SNR逐漸升高；隨著管電流的降低，圖像偽影逐漸增加。 結(jié)論 盡管低管電流會降低胸部CT圖像信噪比，但并未影響肺部小結(jié)節(jié)的檢出敏感性及大小測量的準確性。胸部體模為低劑量螺旋CT掃描參數(shù)的優(yōu)化設置提供可靠實驗數(shù)據(jù)支持。

[關鍵詞] 低劑量；體模；肺結(jié)節(jié)；計算機斷層攝影術；X線

[中圖分類號] R563；R816.4 [文獻標識碼] B [文章編號] 1673-9701（2018）16-0115-04

[Abstract] Objective To compare the chest CT image quality of different tube currents and the effect on the display of small pulmonary nodules， and to explore the best scanning scheme of low-dose chest CT for chest nodules. Methods 50 patients with solitary pulmonary nodules undergoing routine chest CT scan from October 2016 to March 2017 were included. There were 28 males and 22 females， aged 29-65 years， with an average age of（47.7±9.4） years. The chest phantom and pulmonary nodular foci were constructed. Different tube currents were used for CT scan of patients and phantom. Phantom tube currents were 20， 40， 60， 80， 100， 140 and 180 mA. Patient tube currents were 30， 50， 90 and 180 mA. The difference between the actual measured value of phantom nodules and the measured value of nodules by different tube currents of CT image were compared， and the differences of average measured value of nodules， SNR value and CT image artifact classification under different tube current states were compared. Results There was no statistically significant difference between the actual measured diameters of the nodule phantom and the measured values under CT images at 20， 40， 60， 80， 100， 140 and 180 mA tube currents（P>0.05）. Low-dose CT （30， 50， and 90 mA tube currents） was able to detect all lung nodules with diameters greater than 5 mm compared to conventional dose scanning， with the detection rate of 100%. There was no statistically significant difference between the average diameter measured value of nodules（P>0.05）. With the increase of tube currents， the image SNR was gradually increased. As the tube current decreased， the image artifacts were gradually increased. Conclusion Although low-tube currents reduce the signal-to-noise ratio of chest CT images， they do not affect the detection sensitivity and size measurement accuracy of small pulmonary nodules. Chest phantom provides reliable experimental data support for optimal setting of low-dose helical CT scan parameters.

[Key words] Low dose； Phantom； Pulmonary nodule； Computed tomography； X-ray

目前，胸部CT是肺小結(jié)節(jié)檢出的首選檢查方法，為肺結(jié)節(jié)的早期診斷及治療提供了可靠的信息[1]。隨著CT技術的進步，CT圖像的空間分辨率顯著提高，但其輻射劑量限制其在胸部體檢中的廣泛應用[2]。大量研究顯示，降低管電流成為降低CT掃描輻射劑量并獲得相對滿意圖像質(zhì)量的首選方法，一定程度上降低管電流可使患者的輻射劑量明顯減少，而不會影響肺部病變的檢出和診斷[3]。但目前對于低劑量的合理范圍尚無統(tǒng)一標準，既往研究中學者對于管電流設置的意見并不一致。國內(nèi)外關于低劑量CT對肺結(jié)節(jié)檢出的相關研究較多，但少見基于胸部體模及在肺小結(jié)節(jié)CT掃描參數(shù)的研究[4-5]。本研究在基于胸部體模研究的基礎上，比較不同管電流胸部CT圖像質(zhì)量及對肺小結(jié)節(jié)顯示的影響，探討肺小結(jié)節(jié)低劑量胸部CT的最佳掃描方案。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取2016年10月～2017年3月間在我科行常規(guī)胸部CT掃描時發(fā)現(xiàn)孤立性肺結(jié)節(jié)患者。共納入50例，其中男28例，女22例，年齡29～65歲，平均（47.7±9.4）歲。納入標準：（1）肺內(nèi)單發(fā)結(jié)節(jié)，結(jié)節(jié)長徑≤2.0 cm；（2）結(jié)節(jié)周圍無其他混合性病變，如滲出、索條等；排除標準：（1）多發(fā)結(jié)節(jié)及彌漫性結(jié)節(jié)，結(jié)節(jié)或腫塊長徑>2.0 cm患者；（2）CT圖像存在運動偽影或其他假象等[6]。

1.2 構建體模及肺內(nèi)結(jié)節(jié)灶

①對身高約1.75 m正常成人男性志愿者進行胸部CT掃描，通過容積重建采集胸廓結(jié)構數(shù)據(jù)。②采用厚度為2 mm的有機玻璃板仿制人體胸廓模型（包括肩背部）。將水與明膠粉按6：1比例混合溶解后，填入有機玻璃板圍成的胸廓及縱膈腔內(nèi)，模擬胸壁及縱膈內(nèi)軟組織，CT值為30～44 Hu。③用軟木顆粒填充胸腔模擬肺組織，CT值約為-900 Hu。④用固體蠟溶化后與軟木屑按一定比例混合后，鑄型制作圓形結(jié)節(jié)灶，分別測量其直徑后標記編號，分別置入體模內(nèi)不同位置：肺尖、肺底、縱膈旁、胸膜下。

1.3 CT掃描方案

1.3.1 體模CT掃描方案 采用Siemens Somatom Definition Flash 雙源螺旋CT掃描儀，參數(shù)設置：管電壓120 kV，層厚5 mm，螺距1.5，螺旋速度0.5 s/r，掃描管電流分別采用20、40、60、80、100、140、180 mA，肺窗圖像重建采用骨算法，重建間距5 mm。

1.3.2 患者CT掃描方案 采用Siemens Somatom Definition Flash 雙源螺旋CT儀。受檢者取仰臥位，掃描前由有經(jīng)驗的醫(yī)師或技師多次訓練患者用力吸氣后屏氣及吸氣后用力呼出全部氣體后屏氣。掃描包括胸廓入口至膈肌范圍，采用容積數(shù)據(jù)掃描。掃描參數(shù)設置：管電壓120 kV，層厚5 mm，螺距1.5，螺旋速度0.5 s/r，掃描管電流分別采用30、50、90、180 mA，肺窗圖像重建采用骨算法，重建間距5 mm。為降低受試患者輻射劑量，低劑量掃描（30、50和90 mA）范圍局限于距肺結(jié)節(jié)上下緣約1～2 cm內(nèi)。

1.4 CT圖像分析

所有CT斷層圖像均在西門子后處理工作站（Syngo MMVP，VE36A，Siemens）進行分析，由兩位高年資放射科醫(yī)師分別對所有病例圖像進行評價，判讀結(jié)果不一致時協(xié)商取得一致。評價標準如下。

1.4.1 體模圖像結(jié)節(jié)分析 測量不同管電流狀態(tài)下體模CT圖像所示病灶的直徑及體模對應結(jié)節(jié)灶的真實值，掃描層面內(nèi)多個結(jié)節(jié)取平均直徑。

1.4.2 肺結(jié)節(jié)圖像分析 ①肺窗（窗寬1000 Hu，窗位 -600 Hu）下，測量患者CT圖像中所示病灶最大層面的長徑和短徑，取平均徑：（長徑+短徑）/2；② 在結(jié)節(jié)區(qū)放置感興趣區(qū)（region of interest，ROI），根據(jù)信噪比（signal noise rate，SNR）公式：SNR = CT值/標準差，計算不同管電流狀態(tài)下CT圖像的信噪比。③ 評價不同管電流狀態(tài)下圖像偽影的程度。偽影分級：0級，無偽影；1級，輕度偽影，不影響病灶觀察；2級，中度偽影，不影響圖像中結(jié)節(jié)灶的檢出，但對于結(jié)節(jié)灶密度、形態(tài)已有一定影響，影響對結(jié)節(jié)灶圖像信息的判斷。3級，重度偽影，嚴重影響結(jié)節(jié)灶的檢出及影像征象的觀察。

1.5 統(tǒng)計學方法

采用SPSS 17.0統(tǒng)計學軟件包進行分析。計量資料以均數(shù)±標準差（x±s）表示，計數(shù)資料以率或百分比表示。采用配對t檢驗比較體模結(jié)節(jié)實測值與不同管電流CT圖像結(jié)節(jié)測量值間的差別；采用單因素方差分析比較不同管電流CT圖像間患者結(jié)節(jié)平均測量值和SNR值的差別；采用χ2檢驗比較不同管電流CT圖像間偽影分級的差別。P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié)果

2.1 體模結(jié)節(jié)實測值與不同管電流CT圖像結(jié)節(jié)測量值間的比較

采用20、40、60、80、100、140及180 mA管電流狀態(tài)下，體模CT圖像下結(jié)節(jié)直徑平均測量值分別為（9.03±0.99）mm、（8.91±1.06）mm、（8.95±1.10）mm、（9.01±1.08）mm、（9.00±1.07）mm、（9.04±0.99）mm及（9.06±1.02）mm，結(jié)節(jié)體模實測平均直徑約為（8.96±1.07）mm，結(jié)節(jié)體模實測直徑與各組CT圖像下測值間均無顯著統(tǒng)計學差別（P>0.05）。

2.2 不同管電流CT圖像的患者結(jié)節(jié)平均徑、圖像信噪比及偽影分級間的比較

與常規(guī)劑量掃描相比，低劑量CT（30、50、90 mA管電流）可以檢出全部直徑>5 mm的肺結(jié)節(jié)，檢出率為100%。見表1。分別采用30、50、90及180 mA管電流CT圖像間，患者結(jié)節(jié)平均徑測量值間均無顯著統(tǒng)計學差別（P>0.05）。隨著管電流的升高，圖像SNR逐漸升高；隨著管電流的降低，圖像偽影逐漸增加（封三圖3～4）。對于直徑5～10 mm結(jié)節(jié)，低劑量CT圖像有時難以顯示結(jié)節(jié)的一些細節(jié)特征如空泡征、毛刺征等，而常規(guī)劑量薄層掃描可以明確顯示（封三圖3a～d）；對于直徑>10 mm的結(jié)節(jié)，低劑量CT圖像可以顯示結(jié)節(jié)在常規(guī)劑量薄層掃描中的細節(jié)特征，兩種劑量圖像在顯示結(jié)節(jié)細節(jié)能力上并無顯著差異（封三圖4a～d）。

3 討論

目前，多層螺旋CT的空間分辨率顯著提高，對肺結(jié)節(jié)的早期檢出及定性診斷發(fā)揮著至關重要的作用，但CT較大的輻射劑量限制著其在高危人群篩查中的廣泛應用[7]。肺部低劑量CT在1990年由Naidich等[8]首次提出，研究提示低管電流（20 mAs）情況下盡管圖像噪聲有所增加，但仍可顯示正常肺部解剖結(jié)構及病變。本研究通過分析不同管電流狀態(tài)下胸部體模及肺結(jié)節(jié)患者的圖像質(zhì)量及病變顯示情況，分析了不同CT管電流設置對肺部成像質(zhì)量的總體影響，以及低劑量掃描狀態(tài)下，針對肺內(nèi)各部位成像質(zhì)量同質(zhì)化的管電流優(yōu)化設置方案。從而為臨床肺癌篩查工作中低劑量螺旋CT掃描參數(shù)的優(yōu)化提供實驗數(shù)據(jù)支持。

近年來，隨著低劑量螺旋CT概念的提出，國外多名學者開展了相關臨床研究。其中，Ravi J等[9]報道了2003～2007年肺癌篩查的結(jié)果，50～83歲的3352名吸煙者中，65例發(fā)現(xiàn)肺癌，其中82%患者確診時為肺癌早期，手術切除率為80.0%，肺癌篩查結(jié)節(jié)陽性率的敏感度和特異度分別為87.7%和99.3%。紐約早期肺癌行動組織（NY-ELCAP）對6295名60歲以上的吸煙者進行低劑量CT掃描，共發(fā)現(xiàn)肺癌患者101例[10]。本研究發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)劑量胸部CT掃描相比，低劑量狀態(tài)下仍可顯示肺內(nèi)病變結(jié)節(jié)，并未影響對肺內(nèi)小結(jié)節(jié)檢出的敏感性。研究結(jié)果與既往研究一致[11-13]。就其原因，可能是肺部結(jié)構自身含氣較多，具有較高的對比度，圖像噪聲大小對病變的檢出影響較小，為低劑量胸部CT應用于人體肺部病變檢出的前提條件。

體模是根據(jù)人體參數(shù)，采用與人體組織具有相同或相近散射和吸收系數(shù)相似的所謂“組織等效材料”制成的人體模型，其具有外部形態(tài)相似性、組織輻射等效性、輻射劑量可測性等特點，已成為放射防護、診斷中作為人體替身的穩(wěn)定受體[14-15]。但目前國內(nèi)外基于胸部體模的螺旋CT掃描研究仍然很少，由于各廠家的CT設備性能和配置不同，且價格昂貴，一定程度限制了相關工作的開展[12]。借助胸部體模對低劑量螺旋CT掃描參數(shù)設置進行研究，一方面可以大大減低受試者的輻射劑量，另一方面通過大量的掃描圖像質(zhì)量的客觀分析，可以優(yōu)化低劑量CT掃描參數(shù)。本研究成功地構建了胸部體模，為后續(xù)研究的展開提供了保證。

CT圖像質(zhì)量與圖像信噪比相關，而圖像信噪比會直接影響病變大小的測量及細節(jié)的顯示。與既往研究結(jié)果類似[13，16-17]，本研究結(jié)果也證實，對于直徑5 mm以上的結(jié)節(jié)，不同管電流狀態(tài)下對體模和患者2.0 cm以下結(jié)節(jié)大小測量均無顯著差別。另外，本研究病例發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)劑量CT圖像比較，對于直徑<1 cm的結(jié)節(jié)，病變的周邊及內(nèi)部細節(jié)特征，如較小的毛刺、空泡征等特征顯示較差；而對于結(jié)節(jié)直徑>1 cm患者，低mAs的CT圖像可同時顯示結(jié)節(jié)的細節(jié)特征，并不影響病變細節(jié)的觀察，可有效地進行鑒別診斷。

低劑量螺旋CT是通過掃描設備的參數(shù)設置，最大限度的降低受檢者接受的輻射劑量。用于降低CT掃描劑量的方法主要有降低管電流、管電壓，增加螺距[18，19]。當管電壓降低到某一限值時，X線的穿透力會迅速減弱，CT圖像受偽影干擾，質(zhì)量明顯下降。而適當增加螺距，能夠減少實際掃描時間[20，21]。因此，可聯(lián)合增加螺距并降低管電流的方式來減少患者的輻射劑量。

總之，盡管低管電流會降低胸部CT圖像信噪比，但并未影響肺部小結(jié)節(jié)的檢出敏感性及大小測量的準確性，因此管電流30 mAs時可滿足肺結(jié)節(jié)篩查及診斷的需要，同時顯著降低了受檢者的輻射劑量。另外，胸部體?？赏耆嫒梭w進行CT掃描，為低劑量螺旋CT掃描參數(shù)的優(yōu)化設置提供可靠實驗數(shù)據(jù)支持。

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（收稿日期：2018-01-05）